何 燕,柯順魁,馬連湘,王 偉(青島科技大學機電工程學院,山東青島266061)
作者簡介:何燕(1973-),女,副教授,博士,研究方向為材料熱物性及溫度場研究。
熱學性質是橡膠重要的物理性能之一,它在確定橡膠的加工條件,估算應用時橡膠制品的生熱和使用壽命以及把橡膠用作絕熱材料時都有十分重要的實用價值[1]。不僅壓力、分子量、聚合物形態等因素的改變會影響橡膠的熱學性質,而且溫度、炭黑品種及炭黑填充量也會改變其物理性能[2]。熱擴散系數是表征橡膠熱物性性能的一個重要指標,它能夠反映材料導熱能力與貯熱能力之間的關系,是描述不存在熱源和對流時非穩態溫度分布的一個參數[3]。多年來人們從溫度對硫化膠熱擴散性能的影響進行了廣泛的研究[4-6],也設計了一些新型測量儀器來測其熱物性性能[7-8]。雖然目前已有人從復合材料內部分子結構的角度來研究材料的熱物性[9-11],但對于各種填料對膠料熱物性性能的影響研究較少。炭黑作為重要的補強材料,其品種及用量的變化必然會對硫化膠的熱擴散性能產生重要影響。本文通過改變N234和N539兩種炭黑用量來研究熱擴散性能,并對其進行了分析。
1 實驗
1.1 原材料
馬來西亞進口天然膠,N330,白炭黑,偶聯劑,活性劑,防老劑,增塑劑,防焦劑,硫磺促進劑。
1.2 實驗配方
SMR20 100,白炭黑15,炭黑變量,偶聯劑1.5,活性劑4.5,增塑劑1.0,防老劑0.5,硫化體系4.0。
1.3 試樣制備
生膠按傳統工藝進行混煉、硫化后,壓制成厚度為1.5~2 mm的片,放置8 h。測試時將膠料切成直徑為12.5~12.7 mm的圓形薄片,保證試件上下表面光滑、平整。
1.4 裝置及原理
所用測試儀器為LFA 447型激光導熱儀[12-15]以及DISP-ERGRADER 1000NT炭黑分散度儀[16]。
1.5 測試條件
測試溫度范圍為30℃~140℃,每間隔10℃測量一次,氣氛為氮氣,循環水冷卻
2 結果及分析為了保證實驗結果的準確性,在每個測量點測量3次,取平均值作為實驗結果進行數據分析。
2.1 炭黑品種對熱擴散系數的影響及分析
在30℃~140℃的溫度范圍內,分別選取炭黑填充量為30,35,40,45份時,N234和N539填充硫化膠的熱擴散系數對比曲線如圖1所示。
從圖1中可以看出,在兩種炭黑填充條件下,硫化膠熱擴散系數均隨著溫度的增加呈現出線性遞減的變化趨勢。總體上講,N234炭黑填充膠的熱擴散系數要高于N539炭黑填充膠的熱擴散系數。這一現象可從炭黑的性質及其內部結構特性來進行分析。
炭黑是烴類不完全燃燒或熱解制得的具有高度分散性的黑色粉末狀物質,主要由元素碳組成,是近乎球形的膠體粒子,這些粒子大都熔結成各種不規則的聚合體。表1所示為N234和N539兩種炭黑標準[17-18]。如表1所示,相對于N539炭黑,N234炭黑的粒徑較小,比表面積較大,而結構性較低。表面積越大,炭黑凝膠量增多,橡膠分子網上的分子鏈“掛”在炭黑納米結構上增多,橡膠分子的束縛性增強,炭黑對距離相當遠的分子也有影響,兩者結合越緊密,而由固體聚合物的熱傳導機制可知,橡膠鏈端分子更易感應到由原子誘發的晶格波的振動,所以膠料的導熱性能增強;膠料的導熱性能越好,膠料內部溫度的傳播速度越快,各點的溫差越小,導致其熱擴散能力增強。這種分析與實驗結果正好相吻合。
2.2 炭黑填充量對熱擴散系數的影響及分析
圖2a和圖2b是在30℃~140℃的溫度范圍內,熱擴散系數隨著炭黑填充量的變化情況。圖2c和圖2d為截取了40℃,60℃,80℃和120℃4個典型溫度點來描述熱擴散系數隨炭黑填充量的變化情況。一般來講,純炭黑的熱擴散性能要明顯好于純橡膠的熱擴散性能。隨著炭黑填充量的增加,炭黑分子掛在橡膠分子網鏈上數目增多,在熱量傳遞過程中炭黑分子起到重要作用,故表現出較好的熱擴散性能,所以如圖2所示,溫度相同時,隨著炭黑填充量的增加,熱擴散系數總體上呈現出上升趨勢。
由圖2c中可以看出,當N234炭黑填充份數為30~40份時,膠料的熱擴散系數呈現出較好的線性增加關系,當炭黑份數為65份時,呈現出最佳的熱擴散性能。由圖2d中可以看出,當N539炭黑填充量分別為30~40份時,膠料的熱擴散系數曲線線性遞增;當填充量為60份時,膠料表現出最優的熱擴散性能,隨后其熱擴散系數曲線開始下降,并有持續下降的趨勢。
從圖2c、圖2d還可以看出,當炭黑填充量大于40份后,N234、N539炭黑填充的膠料熱擴散性能均有所下降,但具體的下降區間不同。N234炭黑填充硫化膠熱擴散系數的下降區間是40~45份,N539炭黑填充硫化膠熱擴散系數的下降區間是40~50份,而后按照炭黑填充硫化膠熱物性變化規律繼續上升。圍繞著熱擴散性能的突然下降,為了排除偶然性因素對實驗結果的影響,筆者重新對膠料進行混煉、硫化,重新對其進行測試,結果發現,第二、三次實驗結果與上述實驗結果相同。這一結果可從混煉過程中炭黑在橡膠中的分散度和包容膠的生成情況來加以說明。
一般說來,如果炭黑在橡膠中的分散程度較好,形成的網絡結構越均勻,就會形成越好的導熱通道,則熱量傳遞的越快,材料的熱擴散性能就會越好。從分散度實驗結果(如圖3和圖4所示)可知,填充N234炭黑40份時的分散度大于填充45份時的分散度,填充N539炭黑40份時的分散度大于填充45份和50份時的分散度。炭黑分散度較差的可能原因是,在混煉的過程中有些炭黑分子被橡膠分子包圍起來,形成了包容膠。這樣分散到橡膠中的炭黑數量就會大大減少,炭黑之間不能形成較好的導熱通道,致使導熱性能降低,熱擴散性能變差,為此才出現了如圖2所示膠料的熱擴散性能有所下降的變化趨勢。由此可見,炭黑的分散性對導熱網絡的形成至關重要。因此,在橡膠混煉的過程中,應采取適當的工藝使炭黑在橡膠基體中更好的分散,以便獲得較好的導熱通道,提高其熱擴散性能。
3 結論
1) 在炭黑填充量不變的情況下,硫化膠的熱擴散性能隨著炭黑品種的變化而變化。炭黑的粒徑和比表面積是影響硫化膠熱擴散性能的兩個微觀因素,炭黑的粒徑越小,比表面積越大,膠料的熱擴散系數越大。
2) 炭黑分散度和包容膠的存在直接影響硫化膠的熱擴散性能,分散度越好,炭黑之間越容易形成導熱通道,膠料的熱擴散性能就越好。
致謝:在研究工作進行的過程中,筆者得到了青島科技大學橡塑材料與工程教育部重點實驗室辛振祥教授和鄧濤副教授的幫助,現表示衷心的感謝!
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